室內(nèi)LED可見光通信的分集接收系統(tǒng)

薛家豪,李　琪,徐勝男,展凱云,陳文娟,劉　冰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

?

室內(nèi)LED可見光通信的分集接收系統(tǒng)

薛家豪,李琪,徐勝男,展凱云,陳文娟,劉冰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

根據(jù)分集接收的原理，采用選擇合并的方式設(shè)計(jì)了應(yīng)用于LED可見光通信的信號(hào)選擇接收裝置. 理論分析和測(cè)量結(jié)果表明：該裝置能增加信道的數(shù)量并自動(dòng)選擇出信噪比最大的信號(hào)，可以有效地避免信道中斷.

可見光通信；分集接收；模擬信號(hào)；信噪比

可見光通信是利用LED燈的響應(yīng)靈敏度高、調(diào)制性能好[1-2]等特性，進(jìn)行高速傳輸通訊數(shù)據(jù)的技術(shù). 室內(nèi)LED可見光通信裝置在通信過程中由于遮擋物的存在，可能會(huì)引起信道中斷. 目前解決這一問題的方法主要為分集接收技術(shù)[3-10]，即通過增加信道數(shù)量，并收集各信道的信號(hào)以避免信道的中斷. 實(shí)現(xiàn)分集接收技術(shù)的理論方式有最大比合并、等增益合并及選擇式合并[11-14]，目前多采用等增益合并，即利用加法電路將各信道的信號(hào)直接相加，但是這種合并方式會(huì)把被中斷信道內(nèi)的雜光與未被中斷信道的信號(hào)光直接合并，降低輸出信號(hào)的信噪比. 本文采用選擇合并的方式，設(shè)計(jì)了信號(hào)選擇接收裝置. 該裝置對(duì)多信道的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，選擇并輸出信噪比最強(qiáng)的信號(hào)，這樣可既避免信道中斷，又能防止信噪比下降.

1　LED可見光通信整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光通信系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，接收端即信號(hào)選擇接收裝置. 發(fā)射端將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)；接收端對(duì)比各信道的信號(hào)，輸出信噪比最強(qiáng)的信號(hào). 為方便計(jì)算系統(tǒng)接收信號(hào)的信噪比，采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)信號(hào)，利用LED驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)加載到LED白光燈上. 為增大信號(hào)的傳輸距離，保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)采用10 W的大功率LED白光燈作為光源. 光信號(hào)在光電二極管的作用下轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，各信道的信號(hào)經(jīng)解調(diào)處理后由信號(hào)選擇電路選擇出信噪比最大的信號(hào). LED可見光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示.

圖1　LED可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1發(fā)射端的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用的正弦函數(shù)信號(hào)為模擬信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖2所示. 該電路前級(jí)采用加法器，在實(shí)際調(diào)試過程中，設(shè)置1～2 V的直流偏置可以達(dá)到很好的傳輸效果；后級(jí)采用電壓跟隨器，隔離晶體管與加法電路；晶體管發(fā)射極設(shè)置約10 Ω電阻可以保證LED兩端10 V電壓變化不大；保證僅電流驅(qū)動(dòng)LED改變光照強(qiáng)度.

1.2接收端的設(shè)計(jì)

接收端采用多個(gè)光電二極管以增加信道的個(gè)數(shù). 由于外界的雜光干擾和電路自身產(chǎn)生的噪聲[15-17]，導(dǎo)致接收到的信號(hào)信噪比較低，因此先對(duì)各信道的信號(hào)進(jìn)行前置放大和濾波處理[18-21]. 最后，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的信號(hào)選擇電路選擇并輸出信噪比最大的信號(hào).

圖2　LED驅(qū)動(dòng)電路圖

1.2.1接收端光電二極管的布局

分集接收技術(shù)是研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中,如何分散開又如何收集起來的技術(shù). 基本的分集方法有：頻率分集、時(shí)間分集、極化分集及角度分集. 由于LED的首要功能是照明，因此在不改變室內(nèi)光布局的情況下，為了讓信號(hào)更加穩(wěn)定有效地被傳輸，本文基于角度分集接收的原理，對(duì)接收端進(jìn)行改進(jìn).

為保證信號(hào)的接收效果[22-23],可將多個(gè)探測(cè)器均勻放置在半球面上. 為節(jié)約成本，且保證接收端能接收各個(gè)方向的光信號(hào)，本系統(tǒng)共采用4個(gè)光電二極管. 在與水平面呈60°夾角的位置上安置3個(gè)光敏二極管，每個(gè)光敏二極管相互成120°夾角，在3個(gè)光敏二極管的中間位置，即在半球面頂部的水平位置，安置第4個(gè)光敏二極管. 光電二極管分布如圖3所示，光電二極管的接收角度為120°，即單個(gè)光電二極管的接收范圍是圓錐形，由四接收端的擺放可知，4個(gè)圓錐形的接收范圍近似合成半球狀，即只有整個(gè)半球被完全遮擋的情況下才會(huì)出現(xiàn)信道完全被中斷的現(xiàn)象，可以有效地避免信道中斷.

圖3　光電二極管分布示意圖

1.2.2分集接收電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

依據(jù)選擇式合并的原理，設(shè)計(jì)選擇接收電路如圖4所示.

利用電壓比較器、非門和電磁繼電器設(shè)計(jì)出信號(hào)選擇接收電路. 對(duì)4個(gè)光電二極管接收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集取樣，將取樣信號(hào)交給電壓比較器比較找出電壓值最大的信道，此信道就是要進(jìn)行傳輸?shù)男诺? 電壓比較器同時(shí)輸出控制信號(hào)給非門和電磁繼電器，最終實(shí)現(xiàn)信道的選通. 由于LM339電壓比較器只能比較2路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的二選一，因此選擇接收電路由3組二選一電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)信道中信號(hào)的選擇和輸出.

圖4　分集接收電路

2　系統(tǒng)通信質(zhì)量的分析

2.1系統(tǒng)的整體擺放

將LED光源置于室內(nèi)中央，接收端置于LED光源一側(cè)，并相隔一定距離和角度. LED光源與接收端的相對(duì)擺放如圖5所示.

圖5　系統(tǒng)的整體擺放示意圖

2.2信噪比理論分析

信號(hào)選擇接收裝置輸出信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)信號(hào)和噪聲組成. 輸出信號(hào)的信噪比可表示為

SNR=P/σ2,

(1)

式中,P為輸出的標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)信號(hào)的平均功率，σ2為噪聲的平均功率. 若忽略背景光和碼間干擾，則噪聲主要由接收端電路的熱噪聲[24]組成，可視為加性高斯白噪聲，其平均功率σ2可表示為

(2)

式中,k表示玻爾茲曼常量，TK表示室內(nèi)的絕對(duì)溫度，η表示光電二極管的結(jié)電容，S表示光電二極管的表面積，I2表示噪聲帶寬因子，B表示等效噪聲帶寬，G表示開環(huán)電壓增益，Γ表示場(chǎng)效應(yīng)管溝道噪聲因子，gm表示場(chǎng)效應(yīng)管跨導(dǎo).

標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)信號(hào)f(t)可表示為

f(t)=A0sin (ω0t+Φ0),

(3)

式中,A0為正弦函數(shù)信號(hào)的振幅，ω0為角頻率，Φ0為初始相位. 根據(jù)瑞利定理，信號(hào)能量E為

(4)

式中F(ω)為f(t)的傅氏變換，那么信號(hào)的平均功率P可表示為

(5)

經(jīng)計(jì)算，輸出的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的平均功率P為

(6)

最終信噪比SNR為

(7)

2.3信噪比的測(cè)量與計(jì)算

在LED燈和接收端之間放置1塊擋板，利用示波器測(cè)信號(hào)選擇接收裝置在擋板移動(dòng)過程中輸出信號(hào)的振幅與光電二極管被遮擋個(gè)數(shù)的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)所用硬件的詳細(xì)參量：B為100 Mbit/s，I2為0.562，TK為298 K，η為700 pF/cm2，G為10，Γ為1.5，gm為30 Ma，S為0.09 cm2. 信號(hào)選擇接收裝置接收的光信號(hào)振幅值與光電二極管被遮擋的個(gè)數(shù)關(guān)系如表1所示.

表1　光電二極管被遮擋時(shí)接收信號(hào)的振幅

為盡可能避免隨機(jī)誤差，本文采用多次測(cè)量的方式. 所有二極管被遮擋時(shí)接收信號(hào)的振幅不為零，這是電路自身產(chǎn)生的電信號(hào)，屬于噪聲.

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)接收端被遮擋的光電二極管數(shù)量小于4個(gè)時(shí)，裝置輸出信號(hào)的信噪比無大幅度變化，只有將4個(gè)光電二極管完全被遮擋時(shí)才會(huì)出現(xiàn)信道中斷，而實(shí)際傳輸過程中人員走動(dòng)或者室內(nèi)其他障礙物只能遮擋1～2個(gè)光電二極管，因此該裝置能有效地避免由于信道中斷所造成的信號(hào)質(zhì)量下降.

3　結(jié)束語

將分集接收技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)LED可見光通信之中，通過對(duì)光電二極管的布局和信號(hào)選擇接收電路的設(shè)計(jì)，完成了信號(hào)選擇接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：在室內(nèi)有人員走動(dòng)和其他物體產(chǎn)生遮擋時(shí), 該裝置能自動(dòng)選擇出信噪比最強(qiáng)的信號(hào),不需要人工調(diào)整接收端的位置，就能保證通信的質(zhì)量.

[1]駱宏圖,陳長(zhǎng)纓,傅倩,等. 白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 光通信技術(shù),2011(2):56-59.

[2]劉宏展,呂曉旭,王發(fā)強(qiáng),等. 白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 光通信技術(shù),2009(7):53-56.

[3]楊宇,張建昆,劉博,等. LED非線性對(duì)基于正交頻分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)的影響[J]. 中國(guó)激光,2011，38(8):178-183.

[4]Tian Chong-wen, Li Yan-ting, Ye Wei-lin, et al. Performance study of an OFDM visible light communication system based on white LED array [J]. Optoelectronics Letters, 2011,7(6):454-457.

[5]楊欣華,劉洋,康文煒,等. 基于OFDM可見光通信系統(tǒng)發(fā)送器研究[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2015,33(3):267-273.

[6]葉勝. 基于正交頻分復(fù)用的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2013.

[7]曾福來,劉洛琨,朱義君,等. APSK調(diào)制在基于OFDM可見光通信系統(tǒng)中的性能分析[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理,2015(3):646-655.

[8]Feng Z H, Zhang Z J. Study on spatial reuse of channel in smart antenna system [J]. Journal of China Institute of Communications, 2000，21(8)：8-13.

[9]許笑,陳名松,湯玲利. 基于RGB LED可見光通信的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2015(10):77-83.

[10]曾福來,劉洛琨,朱義君,等. APSK調(diào)制在基于自適應(yīng)OFDM的可見光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 信息工程大學(xué)學(xué)報(bào),2014(3):293-298.

[11]黃開枝,陳國(guó)安,王京,等. 智能天線和空間分集接收技術(shù)[J]. 電訊技術(shù),2002(4):99-104.

[12]孫廣波. 移動(dòng)通信中的分集接收技術(shù)和Rake接收機(jī)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2006(15):7-8.

[13]Yang Se-Hoon, Kim Deok-Rae, Kim Hyun-Seung, et al. Visible light based high accuracy indoor localization using the extinction ratio distributions of light signals [J]. Microw. Opt. Technol. Lett., 2013,55(6):1385-1389.

[14]呂磊. 自由空間光通信分集接收算法研究 [D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[15]汪井源,徐智勇,朱勇,等. 室內(nèi)可見光通信中噪聲與干擾的實(shí)驗(yàn)與仿真分析[J]. 光電子·激光,2012(7):1314-1318.

[16]王立剛,建天成,牟海維,等. 基于光電二極管檢測(cè)電路的噪聲分析與電路設(shè)計(jì)[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2009(2):88-92，126.

[17]朱珠. 光電檢測(cè)前置放大電路設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2014,17:137-139.

[18]吳瑕. 基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中師范大學(xué),2014.

[19]薛曉滿. 白光LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)研究[D]. 西安：電子科技大學(xué),2014.

[20]He Yingjie, Ding Liwei, Gong Yuxian, et al. Real-time audio & video transmission system based on visible light communication[J]. Optics and Photonics Journal, 2013,3(2):153-157.

[21]莫晨曉,陳長(zhǎng)纓,陳曦，等. 高速白光LED光通信系統(tǒng)中的碼間干擾及其抑制[J]. 光通信技術(shù),2012(1):59-61.

[22]王濱濱. 基于光角度分集技術(shù)的VLC系統(tǒng)的研究[D]. 長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2012.

[23]金偉,張海濤,鞏馬理,等. 無線光通信中的非成像集中器(英文)[J]. 激光技術(shù),2003(4):311-316.

[24]沈振民. 基于LED的室內(nèi)可見光通信信道建模及光學(xué)接收端研究[D]. 北京：北京理工大學(xué),2014.

[責(zé)任編輯：任德香]

Diversity reception system for indoor LED visible light communication

XUE Jia-hao, LI Qi, XU Sheng-nan, ZHAN Kai-yun, CHEN Wen-juan, LIU Bing

(Department of Physics, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

According to the principle of diversity reception, a signal selection reception device was designed for indoor LED visible light communication system, and the output signal of the device was analyzed theoretically and measured by experiment. The results showed that the device could increase the number of channels and automatically select the signal with the maximum signal-noise ratio, which could effectively avoid channel interruption.

visible light communication; diversity reception; analog signal; signal-noise ratio

2016-04-05；修改日期：2016-04-27

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.ZR2015AM023)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)研究與實(shí)踐項(xiàng)目(No.JY-A201402)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(No.20151285); 中國(guó)石油大學(xué)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目( No.QN201531)

薛家豪(1996-)，男，河北邯鄲人，中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院2014級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：劉冰(1972-)，男，山東臨沭人，中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院副教授，博士，主要從事大學(xué)物理教學(xué)和計(jì)算物理與油藏滲流方面的研究.

TN929.1

A

1005-4642(2016)09-0015-04